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Aplicación de Laminados Compuestosa la construcción de Aspas de
Generadores Eólicos de Alta Potencia
Alejandro D. OteroGrupo I.S.E.P. (Investigaciones en Sistemas Energéticos Primarios)
Facultad de Ingeniería – U.B.A.
17 de Noviembre de 2006
CONFERENCIAS Y CLASES ESPECIALES EN MATERIALES COMPUESTOS
Motivación
Recurso Eólico
Componentes HAWT's
Principios de Funcionamiento HAWT's
Control de Potencia en HAWT's
Aplicación de Laminados Compuestos
Tendencias
Interacción Fluído - Estructura
Modelo de rigidez de vigas
Otras aplicaciones
Desarrollo
Aplicación de Laminados Compuestos a la construcción de Aspas de Generadores Eólicos de Alta Potencia.
Motivación
Fuente: World Wind Energy Asociation
Aplicación de Laminados Compuestos a la construcción de Aspas de Generadores Eólicos de Alta Potencia.
Recurso Eólico
Aplicación de Laminados Compuestos a la construcción de Aspas de Generadores Eólicos de Alta Potencia.
Potencia Meteorológica
Curva de frecuencias de velocidades de viento
Fuente: Vestas
Fuente: GE
Fuente: www.natwindpower.co.uk
Fuente: www.inforse.dk
Componentes HAWT's
Aplicación de Laminados Compuestos a la construcción de Aspas de Generadores Eólicos de Alta Potencia.
Fuente:Fuente: “Leading Edge Design”, “Leading Edge Design”, E. de Vries, E. de Vries, Renewable Energy Renewable Energy WorldWorld, January 2004., January 2004.
Fuente: Sandia Labs.
Componentes HAWT's - Aspas
Sources:Sources: “Wind Energy Explained”, J. F. Manw ell, “Wind Energy Explained”, J. F. Manw ell, et. al.,et. al., Wiley, 2002. // Wiley, 2002. // “Leading Edge Design”, E. de Vries, “Leading Edge Design”, E. de Vries, Renewable Energy WorldRenewable Energy World, January 2004. // , January 2004. // “Wind Pow er Today: Wind and Hydropow er Technologies Program”, National “Wind Pow er Today: Wind and Hydropow er Technologies Program”, National Renew able Energy Lab, US DOE, 2005. Renew able Energy Lab, US DOE, 2005.
Aplicación de Laminados Compuestos a la construcción de Aspas de Generadores Eólicos de Alta Potencia.
Aplicación de Laminados Compuestos a la construcción de Aspas de Generadores Eólicos de Alta Potencia.
Principios de Funcionamiento – Perfiles alares
Fuente: www.dpa.unina.it
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Aerodinámica de HAWT's
Fuente: www.aeromech.usyd.edu.au
Fuente: http://personales.ya.com/universal/TermoWeb
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Estrategias de Control de Potencia
Fuente: GE
Stall Control – Paso fijo de las aspas
Pitch Control - Paso variable de las aspas
Active Stall Control
Aplicación de MLC en aspas de rotores eólicos
Fuente: “Wind Energy Explained”, Fuente: “Wind Energy Explained”, J. F. Manwell, J. F. Manwell, et. al.,et. al., Wiley, 2002. Wiley, 2002.
Aplicación de Laminados Compuestos a la construcción de Aspas de Generadores Eólicos de Alta Potencia.
Torsión y curvaturas iniciales
Acoplamientos no convencionales
Materiales no isótropos
Secuencia de laminado
Sources:Sources: ::“Wind Pow er Today: Wind and Hydropow er “Wind Pow er Today: Wind and Hydropow er Technologies Program”, National Renew able Energy Technologies Program”, National Renew able Energy Lab, US DOE, 2005.Lab, US DOE, 2005.
Tendencias
Aplicación de Laminados Compuestos a la construcción de Aspas de Generadores Eólicos de Alta Potencia.
Tendencias
Aplicación de Laminados Compuestos a la construcción de Aspas de Generadores Eólicos de Alta Potencia.
Fuente: LM Glasfiber
Source: “REpower 5M Technical Brochure”, REpower Systems AG, 2005.
Non-dimensional vorticity field of a no synchronized pattern wake at Re=140
Non-dimensional vorticity field of a hyper-Non-dimensional vorticity field of a hyper-Kármán vortex-street at Re=140Kármán vortex-street at Re=140
Comparison of a flow visualization at Re=100 by M. M. Zdravkovich with a grayscale plot of
the vorticity field produced by the KLE
Interacción Fluido - Estructura
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Modelo de Cálculo de la Interacción Fluido - Estructura
Modelo de sólidos unidimensionales - Vigas Modelo de fluidos - KLE
Cálculo de las geometrías
Cálculo de las solicitaciones
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Características Vigas
Evo
luci
ón t
emp
oral
Condiciones iniciales y de contorno
Pre
calc
ula
do
•Secciones No Homogéneas•Torsión y Curvaturas Iniciales•Grandes Desplazamientos y Rotaciones•Línea de Referencia Arbitraria
Cinemática de la sección
Vectores baseMétricaTernas de referenciasTensor Gradiente DeformaciónTensor de Deformaciones (Lagrangeano) de Jaumann-Biot-Cauchy
3D 1D≡ Energía de Deformación
Reducción del problema
Modelo de Rigidez de Vigas
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Tensor de Deformaciones de Jaumann – Biot - Cauchy
Pequeñas deformaciones y rotaciones locales
Considerando la cinemática de las vigas
Modelo de deformación de la sección
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Energía de deformación de la sección o densidad de energía
Discretización de los alabeos por MEF
Un Modelo de Rigidez de Vigas para Secciones No Homogéneas y Grandes Desplazamientos – Otero, Ponta, Jacovkis – F.I.U.B.A.
Modelo de deformación de la sección
Restricciones sobre los alabeos
Aplicación de Laminados Compuestos a la construcción de Aspas de Generadores Eólicos de Alta Potencia.
Solución de los alabeos
Componente de orden cero
Componente de primer orden
Un Modelo de Rigidez de Vigas para Secciones No Homogéneas y Grandes Desplazamientos – Otero, Ponta, Jacovkis – F.I.U.B.A.
Modelo de deformación de la sección
Aplicación de Laminados Compuestos a la construcción de Aspas de Generadores Eólicos de Alta Potencia.
Energía de deformación de la sección
Expresión en las medidas de deformación de la Teoría de Timoshenko
Expresión en las medidas de deformación de la Teoría de Bernoulli
Modelo de deformación de la sección
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Transformación de la expresión de la energía de deformación de la sección
Sistema de ecuaciones
Modelo de deformación de la sección
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Expansión de las soluciones
Componentes de orden 1
Componentes de orden 0
Modelo de deformación de la sección
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Discretización por el Método de Elementos Finitos
CondensaciónMejor número de condición
Otros métodos usan
•Autovectores
•Pseudoinversa de Moore - Penrose
No CondensablesCálculo de Autovectores: alto
costo computacional
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Experimentación Numérica
Aplicación de Laminados Compuestos a la construcción de Aspas de Generadores Eólicos de Alta Potencia.
Experimentación Numérica
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Aplicación de Laminados Compuestos a la construcción de Aspas de Generadores Eólicos de Alta Potencia.
Conclusiones del Modelo de deformación de la sección
variables equivalentes a las de la teoría de Timoshenko
asintóticamente correcto
apto para grandes desplazamientos y rotaciones, secciones no homogéneas sin
hipótesis restrictivas sobre el modo de deformación de la sección (libre alabeo)
Fuente: Marine Current Turbines ltd.
Otras aplicaciones
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Muchas gracias!!Muchas gracias!!
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